傾斜攝影測量在三維建模中的應用畢業(yè)論文

畢 業(yè) 設 計題 目： 傾斜攝影測量在三維建模中的應用 學 院： 測繪工程學院 專 業(yè)： 測繪工程 姓 名： 學 號： 0650 指導老師： 完成時間： 2014年 5月 25日 河南城建學院本科畢業(yè)設計 摘要I摘 要 機載傾斜攝影測量系統(tǒng)是對常規(guī)攝影測量系統(tǒng)的改進和發(fā)展，它能夠獲取常規(guī)攝影無法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息，在數(shù)字城市構建中具有重要的意義。本文應用機載傾斜攝影數(shù)據(jù)進行了三維建模和單斜片測量的應用研究與實驗，初步實驗表明：傾斜攝影數(shù)據(jù)應用三維建模單斜片測量是可行的并且具有較好的應用前景。關鍵詞：傾斜攝影測量，三維建模，單斜片測量河南城建學院本科畢業(yè)設計 英文摘要IIAbstractAirborne oblique photogrammetric system is the improvement of the traditional photogrammetric system ,which can get the facade texture and geometry information that cannot be obtained by conventional photography ,and it is of great significance in the construction of digital city .In this paper,the airborne oblique photogrammetry data were used for three dimensional modeling and single-oblique photo measure.Preliminary experiments showed the good application prospects.Key words:oblique photogrammetry ;three dimensional modeling;single-oblique photo measure. 河南城建學院本科畢業(yè)設計 目錄III目 錄第一章 引言 011.1 傳統(tǒng)建立城市三維模型的方法 021.2 傳統(tǒng)建立城市三維模型的弊端 021.3 傾斜攝影測量的技術特點 021.4 傾斜攝影測量的意義 02 1.5 線陣相機系統(tǒng) 03 1.6 傾斜攝影測量應用及前景 04第二章 基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測量技術2.1 傾斜攝影測量關鍵技術 072.1.1 傾斜攝影測量的基本原理 072.1.2 傾斜影像的特點 07 2.1.3 傾斜影像測量的關鍵技術 072.1.4 傾斜攝影測量三維建模的目標及內容 082.2 三維建模技術 092.3 城市三維模型建立方法 122.3.1 城市基礎信息搜集 122.3.2 建筑模型細部分析 132.3.3 模型紋理制作 132.3.4 模型歸位與合并 132.4 單斜片測量技術 142.5 單斜片測量的思路 14第 3 章 總結3.1 加載 DOM DEM 影像 153.2 計算斜片覆蓋范圍 153.3 斜片測量 15參考文獻 17致謝 18河南城建學院本科畢業(yè)設計 第一章 引言1第一章 引言近年來國際地理信息領域將傳統(tǒng)航空攝影技術和數(shù)字地面采集技術結合起來發(fā)展了一種稱為機載多角度傾斜攝影的高新技術，簡稱傾斜攝影技術。通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器同時從多個角度采集地面影像從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限性，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足。通過整合及矢量等數(shù)據(jù)進行基于影像的各種三維測量，基于人眼視覺適合于觀察傾斜透視像片的特點傾斜影像測量技術更適合于網絡環(huán)境應用。針對傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點人們進行了多方面的研究探討。傳統(tǒng)的航空航天攝影測量技術主要針對地形地物頂部進行測量，對起伏明顯的地形，地物側面的紋理和三維幾何結構等信息獲取一直十分有限，傾斜攝影測量因此成為近年來國際上發(fā)展十分迅速的一項高新技術。本文簡要評述了幾種典型的傾斜攝影測量軟硬件系統(tǒng)，分析了傾斜攝影測量的關鍵技術，總結提煉了傾斜攝影測量技術發(fā)展的主要趨勢和研究要點。 傾斜影像是指由一定傾斜角度的航攝相機所獲取的影像。傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。常用的影像數(shù)據(jù)主要來源于垂直角度或傾角很小的航空或衛(wèi)星影像，這些影像大多只有地物頂部的信息特征，缺乏地物側面詳細的輪廓及紋理信息，不利于全方位的模型重建和場景感知。并且，這些影像上建筑物容易產生墻面傾斜、屋頂位移和遮擋壓蓋等問題，不利于后續(xù)的幾何糾正和輻射處理。 2008 年第 21 屆 ISPRS 大會和 2011 年第 53 屆德國攝影測量周，傾斜攝影測量技術都是大會的主要議題之一。新型多線面陣、多角度數(shù)碼相機的應用如 ADS40/80、SWDC-5 等為多視影像和大角度傾斜影像的獲取提供了可能；高性能傾斜攝影測量處理系統(tǒng)等的不斷改進也使得傾斜影像的處理更加便利。 多角度相機及處理系統(tǒng) 多角度相機世界上較早的傾斜攝影相機被認為是徠卡公司 2000 年推出的 ADS40 三線陣數(shù)碼相機，提供地物前視，正視和后視 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、93 個視角方向的影像。外國的一些先進公司專門研制了傾斜攝影用的多角度相機，可以同時獲取一個地區(qū)多個角度的影像；我國的四維遠見公司也研制了自主知識產權的多角度相機。河南城建學院本科畢業(yè)設計 第一章 引言21.1 傳統(tǒng)建立城市三 維模型的方法傳統(tǒng)建立城市三維模型的方法是，先要將需要建立模型的區(qū)域劃分為若干個測區(qū)，采用外業(yè)人員手工拍照的方法，結合正攝影像，得到建筑物的結構和紋理，然后通過內業(yè)人員的處理，測區(qū)平面矢量圖，屋頂矢量圖等數(shù)據(jù)，建立白模，通過拍攝的紋理分析模型的細部結構，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。1.2 傳統(tǒng)建立城市三維模型的弊端傳統(tǒng)建立三維城市模型的弊端在于，外業(yè)人員工作量大，拍攝時間長，存在漏拍等問題，導致內業(yè)人員只能靠猜測來分析部分建筑物的細部結構; 由于拍攝角度的原因，內業(yè)人員往往看不清屋頂?shù)募毠?jié)，照片的拍攝順序也不一定符合內業(yè)人員的觀察習慣，照片順序凌亂，浪費了很多建模的時間，紋理拍攝的傾角不同，導致內業(yè)人員制作紋理時遇到困難。1.3 傾斜攝影測量的技術特點相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察被制作建筑，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像分析應用的不足，通過配套軟件的應用，可直接利用成果影像進行包括高度 長度 面積 角度 坡度等屬性的量測，擴展了傾斜攝影技術在行業(yè)中的應用， 針對各種三維數(shù)字城市應用，利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點，加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。1.4 傾斜攝影測量的意義傾斜攝影測量不僅能夠真實地反應地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入精確的地理信息，更豐富的影像信息，更高級的用戶體驗，極大地提高了航攝影像處理的速度。傾斜影像技術的應用，使目前高昂的三維城市建模成本大幅降低，大大提高三維城市建模的速度。河南城建學院本科畢業(yè)設計 第一章 引言31.5 線陣相機系統(tǒng) 三線陣 ADS40/80 相機系統(tǒng)可以獲取高分辨率的影像，通過連續(xù)推掃式成像，其前視和后視相機可以提供同一航帶上地物的傾斜影像。相機的前視傾角約為 28 度，后視傾角約為 14 度，獲取的多視影像可以較為清晰地反映出地物的側面紋理特征。此類影像處理很復雜， 需要伴隨高精度的 POS 數(shù)據(jù)，生成多級影像產品，但前后視傾角難以獲取地物完整的側面輪廓。三線陣相機系統(tǒng)天寶 AOS 傾斜相機系統(tǒng)由 3 臺大幅面數(shù)碼相機組成，一臺下視獲取垂直影像，另外兩臺獲取傾斜角度在 30 度到 40 度之間的傾斜影像。通過旋轉型架構結構，實現(xiàn)前后左右傾斜和垂直五個方向的攝影。整個鏡頭在曝光一次后自動旋轉 90 度，以此獲取地物四個方向上的側視影像。 五相機系統(tǒng) SWDC-5 傾斜攝影相機由 5 臺哈蘇 H3D 相機組成，中間一臺垂直攝影，其余四臺分別向四個方向進行傾斜攝影，其傾斜角在 40 度到 45 度之間，相機上方安置有 IMU 導航系統(tǒng)， 同時集成 GPS 定位系統(tǒng)，可以在曝光瞬間準確獲取相機傾角及外方位元素。因此可以較為完整地獲取地物側面的輪廓和紋理信息。其產品包含兩級影像：具有一般分辨率的“Community” 級影像和基于其分割得到的較高分辨率的“Neighborhood”級影像。傾斜影像處理系統(tǒng)伴隨多角度相機的是傾斜影像處理系統(tǒng)的快速發(fā)展。美國公司推出的傾斜影像處理軟件，能夠較好地實現(xiàn)傾斜影像的定位量測、輪廓提取、紋理聚類等處理功能。法國 Infoterra 公司的像素工廠 Pixel Factory 作為新一代遙感影像自動化處理系統(tǒng)，Street Factory 子系統(tǒng)可以對傾斜影像進行精確的三維重建和快速的并行處理。此外，徠卡公司的 LPS 工作站、AeroMap 公司的 MultiVision 系統(tǒng)、Intergraph 公司的 DMC 系統(tǒng)等， 都陸續(xù)開發(fā)了針對傾斜影像的量測、匹配、提取、建模等模塊。 Pictometry 傾斜影像處理軟件提供了傾斜影像管理工具 EFSElectronic Field Study，可以結合地理信息數(shù)據(jù)，對影像進行量測、定位、提取等操作，并對基于影像建立的模型做出一定的分析和可視化。其產品目前已在微軟的 Virtual Earth 中得到應用。Street Factory 系統(tǒng) Street Factory 系統(tǒng)通過對獲得的傾斜影像進行幾何處理、多視匹配、三角網構建，提取出典型地物的紋理特征，并對該紋理進行可視化處理，最終得到三維模型。依托 Pixel Factory 的影像解譯和并行處理能力，Street Factory 僅依靠傾斜影像，無需 LIDAR 等輔助設備，便 可以提供逼真的建模場景和智能的處理流程，構建不同層次細節(jié)度下的三角網模型， 在精度、自動化、適應性及簡潔性等方面都有著一定的優(yōu)勢。 河南城建學院本科畢業(yè)設計 第一章 引言41.6 傾斜攝影測量應用及前景傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從 1 個垂直 4 個傾斜等 5 個不同的角度采集影像，將用戶引入到符合人眼視覺的真實直觀世界，傾斜攝影成為建設數(shù)據(jù)城市中三維城市生產的新的高效的技術手段。傾斜攝影測量技術以大范圍、 、高清晰的方式全面感知復雜場景，系統(tǒng)具備高性能的協(xié)同并行處理能力，在新一代城市空間數(shù)據(jù)基礎設施建設中有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著我國城市化進程的快速推進，精細化的三維城市模型作為城市規(guī)劃、建設、管理和信息化的基礎數(shù)據(jù)，得到了日益廣泛的應用并逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內容。然而，傳統(tǒng)的航空和衛(wèi)星遙感手段主要針對城市建筑頂部進行模型重建，而對側面的三維重建一直缺少有效的解決手段。傾斜攝影技術的發(fā)展，可以有效解決這一難題，將靜態(tài)的，基于立體像對和點特征的傳統(tǒng)攝影測量技術推向了一個新的高度，即動態(tài)的，基于多視影像和對象特征的實時攝影測量技術。因此，諸如高分辨率 DSM、逼真的真正射影像和精細的三維城市模型等傾斜攝影測量產品需求尤為迫切，而發(fā)展基于多平臺多傳感器的傾斜影像自動化、智能化的處理技術，已經成為新一代數(shù)字攝影測量的主導。 該技術可廣泛應用于測繪，國土安全，城市管理等領域。機載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)是新一代攝影測量系統(tǒng)，其主要內容包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術和相應的數(shù)據(jù)處理技術，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取部分一般由 5 個數(shù)碼相機組成，包括 1 個垂直攝影相機和 4 個傾斜攝影相機，系統(tǒng)還可將攝影相機與機載 GPS 接收機(高精度 IMU 進行高度集成。攝影相機用來提供影像信息，而 GPS IMU 則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過在系統(tǒng)中集成定位定姿設備或進行空中三角測量處理可為每張拍攝的影像提供位置姿態(tài)信息用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測量系統(tǒng)是數(shù)字制圖方面的一個重要突破，它使得非現(xiàn)場測量和分析不僅可在模型上進行而且也可在傾斜航片上進行。通過攝影測量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個所謂的場景文件中而場景文件則提供了對任一地塊建筑物構筑物及特征物的多維度多視向的觀察。國外在上世紀 90 年代就開始了對傾斜攝影測量系統(tǒng)的研究，目前該技術正成為研究的熱點和市場的應用方向，美國 pictometry 公司是世界上最早研究傾斜攝影技河南城建學院本科畢業(yè)設計 第一章 引言5術的公司。目前 pictometry 公司的傾斜攝影系統(tǒng)已在北美，歐洲得到廣泛的應用。該類系統(tǒng)所具有的特點對人們使用地理空間信息的方式產生著很大的影響，它在美國的早期成功是用于突發(fā)事件方面的應用。而真正的發(fā)展始自于與微軟的合作，并被集成進微軟公司開發(fā)的 BingMaps。Goggle Earth 也可能集成大角度的傾斜影像。在歐洲市場，2005 年歐洲的布姆集團與 pictometry 公司簽署了一份獨家協(xié)議，利用 pictometry 公司系統(tǒng)進行 12 個國家的傾斜攝影應用。該項目覆蓋西歐人口超過5 萬的所有城鎮(zhèn) 80%的人口，大約 1000 個城市，公司的歐洲項目圖像分辨率為10cm12cm，位置精度約 0.5m。在傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取方面國內測繪行業(yè)在 2010 年首次引進傾斜攝影技術。傾斜攝影技術的引進和應用將開辟遙感影像應用的新領域提高我國數(shù)字城市建設的基礎數(shù)據(jù)獲取效率。在傾斜攝影數(shù)據(jù)處理方面華正空間（武漢）軟件技術有限公司自主研發(fā)了基于航空傾斜影像的地理空間信息和應用平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟件所具有的影像三維量測技術能為公共安全及應急指揮，城市規(guī)劃與管理，通訊，城市工程，軍事等行業(yè)和領域提供真實實時，可量測的三維空間信息服務。經過地理參考定位的傾斜影像拓展了傳統(tǒng)垂直影像的特性，提供了獨特的透視觀測方式，基于影像的三維測量系統(tǒng)具有如下的作用：1 直接觀測到建筑物的立體，垂直影像上是很困難或不可能的；2 能夠在影像上直接測量物體的高度 長度 面積等；3 改善了對電桿，燈桿等物體的識別，而要在正射影像上進行這些識別是很困難的；4 改善了非地圖專業(yè)人員對地理信息的可讀性；擴展了以傾斜影像的 3D 觀測GIS 數(shù)據(jù)的方式。傾斜影像資料可以用于進行三維建模。常規(guī)的使用攝影測量技術 3D 建模是基于垂直攝影像片的，能夠解決地面紋理，屋頂紋理和部分立面紋理，大部分的立面紋理需要依賴地面攝影來提供。地面攝影取立面紋理是一項耗費人力的繁瑣工作。建筑物的幾何模型可以用數(shù)字攝影測量技術來建立，或通過激光雷達獲取的DSM 來建立。經過地理參考幾何定位的傾斜像片可以用于給建筑物的幾何模型提供紋理。如 Blom3D 可提供 4 種不同細節(jié)的 3D 模型：具有屋頂細節(jié)的 3D 塊狀模型；具有模板紋理細節(jié)及屋頂細節(jié)的塊狀模型；具有真實圖像紋理細節(jié)的 3D 建筑物模